機(jī)組選型對(duì)于小型水電站改造的重要性研究

趙國(guó)榮

(甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735211)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求量增大的同時(shí)需要減少對(duì)礦物燃料的依賴，水能是取代礦物燃料的清潔能源之一［1］。疏勒河灌區(qū)自上世紀(jì)開發(fā)以來(lái)，建成水電站24座，總裝機(jī)達(dá)136950kW，年發(fā)電量達(dá)57794萬(wàn)kW·h，為地區(qū)的發(fā)展做出突出的貢獻(xiàn)，但隨著疏勒河流域部分小型水電站修建時(shí)間長(zhǎng)，機(jī)電設(shè)備老化、磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致水能利用率和設(shè)備效率大幅度下降。為充分利用水能資源，對(duì)部分小水電站急需進(jìn)行改造。

改造電站與新建電站在技術(shù)的應(yīng)用上是不同的，新電站的建設(shè)可以根據(jù)水頭、水情、工程區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行踏勘，然后制定方案進(jìn)行建設(shè)［2］。而老電站改造過(guò)程中，除復(fù)核以上工況外，還必須對(duì)現(xiàn)有電站進(jìn)行全面系統(tǒng)的復(fù)核。首先是電站建設(shè)時(shí)期的條件，通過(guò)比較選定機(jī)組，并需著重對(duì)該機(jī)組的額定流量進(jìn)行全面復(fù)核，使之能夠滿足現(xiàn)狀流道、尾水管等已存水力機(jī)械的性能要求。其次是機(jī)組選型，除了要保持優(yōu)良的水力性能外，還需考慮尺寸的改變對(duì)與土建工程改造的影響，這比新建水電站在技術(shù)上難很多。

1 改造電站存在的主要問(wèn)題

(1)發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣老化嚴(yán)重。隨著機(jī)組運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)出力達(dá)到65%～70%的時(shí)候，定子溫度高達(dá)95℃左右(電機(jī)絕緣和溫度成反比)，為保證設(shè)備和人員的安全，發(fā)電機(jī)出力只能限制在額定出力的65%～85%以內(nèi)，設(shè)備長(zhǎng)期處于帶病狀態(tài)運(yùn)行。

(2)水輪機(jī)磨損嚴(yán)重。由于水質(zhì)較差、水中夾雜著大小不等的石粒，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，對(duì)水輪機(jī)的過(guò)流部件、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)輪室磨損非常嚴(yán)重，導(dǎo)致引水量增大、機(jī)組出力卻達(dá)不到預(yù)計(jì)要求。

(3)高壓開關(guān)柜關(guān)鍵部件老化嚴(yán)重。電站高壓開關(guān)柜是GGA型開關(guān)柜，柜內(nèi)安裝的斷路器為SN10－10型少油斷路器，此型號(hào)的斷路器現(xiàn)已基本淘汰，斷路器觸頭接觸電阻嚴(yán)重超標(biāo)，需更換其導(dǎo)電桿的蓮花頭，咨詢多個(gè)廠家都已經(jīng)不生產(chǎn)，其他操作機(jī)構(gòu)早已不同程度的出現(xiàn)拒動(dòng)，元、部件無(wú)處購(gòu)買。

(4)電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁屏、水輪機(jī)調(diào)速設(shè)備、直流饋電系統(tǒng)等都基本處于將就的程度。機(jī)電設(shè)備均為80年代早期產(chǎn)品，現(xiàn)在的廠家已不再生產(chǎn)原來(lái)的配件，諸多設(shè)備配件均已淘汰，導(dǎo)致維修難度大、成本高，且大部分零件無(wú)法更換。

2 機(jī)組選型方案的確定

疏勒河流域小型水電站需改造的有新河口一級(jí)水電站和河西水電站［4］，本文以這2個(gè)水電站為例，著重研究水輪機(jī)機(jī)組選型對(duì)于改造電站的重要性。

2.1 新河口一級(jí)水電站裝機(jī)的確定

2.1.1 基本情況

新河口一級(jí)水電站位于疏勒河灌區(qū)昌馬舊總干渠上，坐落在昌馬總干渠42#陡坡至43#陡坡之間，為渠道引流式季節(jié)性電站。新河口一級(jí)水電站原有理論設(shè)計(jì)水頭為16.5m，總引水流量為22.5m3/s，總裝機(jī)3臺(tái)×1000kW，年利用時(shí)間為5256h，年發(fā)電量1576.8萬(wàn)kW·h。通過(guò)數(shù)據(jù)整理，新河口一級(jí)水電站平均來(lái)水量達(dá)到30m3/s，通過(guò)對(duì)全年數(shù)據(jù)分析整理，發(fā)現(xiàn)年棄水量達(dá)到23%，水資源損失巨大，故根據(jù)來(lái)水和水頭確定改造后裝機(jī)為4000kW，并對(duì)裝機(jī)方案為3臺(tái)方案和4臺(tái)方案進(jìn)行了比選。

通過(guò)必選發(fā)現(xiàn)，由于電站設(shè)計(jì)時(shí)按照設(shè)計(jì)流量選定進(jìn)水口尺寸和管道管徑，如果選定為3臺(tái)機(jī)組方案，那么設(shè)計(jì)流量將有7.5m3/s變化到10m3/s，從而進(jìn)水口尺寸過(guò)小，管道流速過(guò)快，最終導(dǎo)致水損加大，浪費(fèi)水資源。如果對(duì)引水系統(tǒng)進(jìn)行拆除重建，則土建投資為601.44萬(wàn)元。而如果更改為4臺(tái)裝機(jī)，新建一個(gè)前池，新增壓力管道，引水系統(tǒng)土建費(fèi)用投資235.73萬(wàn)元。故最終確定方案為4臺(tái)裝機(jī)方案，即保持原有裝機(jī)不變的情況下新增1臺(tái)機(jī)組。

2.1.2 機(jī)組選型方案比選

由于新河口一級(jí)水電站原有3臺(tái)機(jī)組安裝高程確定(改造時(shí)為保證節(jié)約投資，蝸殼部分和尾水管不動(dòng))，故對(duì)原有機(jī)組和新增機(jī)組分別進(jìn)行機(jī)組選型。由于現(xiàn)狀機(jī)組為軸流式機(jī)組，故在改造時(shí)為節(jié)約投資，也選用軸流式機(jī)組作為更換機(jī)組。原機(jī)組為軸流定槳式立式機(jī)組，更換后機(jī)型保持不變，原有機(jī)組更換水輪機(jī)可采用新型軸流定槳式轉(zhuǎn)輪ZDJP502和ZDJP401，故更換機(jī)組用此2種機(jī)型進(jìn)行比較。新增機(jī)組由于不牽涉現(xiàn)狀廠房的改造，所以機(jī)組選型時(shí)可采用新型軸流定槳式轉(zhuǎn)輪ZDJP502和HLA551，故新增機(jī)組用此2種機(jī)型進(jìn)行比較，具體見表1。

表1 更換水輪機(jī)機(jī)組選型比較表

對(duì)于現(xiàn)狀需更換的機(jī)組通過(guò)表1可以得出:(1)ZDJP502氣蝕系數(shù)稍大。(2)ZDJP502發(fā)電效率優(yōu)于后者。(3)ZDJP502的出力比ZDTP401要大。綜合以上比較結(jié)果，更換機(jī)組水輪機(jī)推薦水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)為ZDJP502。故確定機(jī)組型號(hào)為ZDJP502-LH-110，配發(fā)電機(jī)SF1000—14/1430。該機(jī)組土建時(shí)只需配合拆除水輪機(jī)層座環(huán)等部位鋼筋混凝土，其余部分均利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，極大的節(jié)約了投資。

對(duì)于新增機(jī)組通過(guò)表2可以得出:(1)ZDJP502氣蝕系數(shù)略大。(2)ZDJP502設(shè)計(jì)點(diǎn)效率稍高。(3)ZDJP502機(jī)組效率較HLA551機(jī)組對(duì)流量的變化非常敏感，當(dāng)流量偏離額定點(diǎn)時(shí)機(jī)組效率急劇下降。HLA551機(jī)組效率對(duì)流量的變化相對(duì)不是很敏感，機(jī)組流量偏離額定工況時(shí)也能在高效區(qū)運(yùn)行。綜合以上比較結(jié)果，機(jī)組水輪機(jī)推薦水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)為HLA551。水輪機(jī)選型為HLA551-LJ-120，配發(fā)電機(jī)SF950—14/1430，土建部分按照新建標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。

2.2 河西水電站機(jī)組裝機(jī)的確定

2.2.1 基本情況

河西水電站位于玉門市疏勒河昌馬舊總干渠48#～49#陡坡之間，于1989年1月建設(shè)，電站總裝機(jī)2400kW。2003年通過(guò)電站的平均引水流量(約35m3/s)中的2/3分配到了西干渠。導(dǎo)致通過(guò)河西水電站的平均流量約13.5m3/s。故對(duì)原有的3#水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了報(bào)廢，使得電站裝機(jī)變?yōu)?600kW(2臺(tái)×800kW)，設(shè)計(jì)水頭14.21m，設(shè)計(jì)流量13.5m3/s。本次改造通過(guò)對(duì)水頭、水情復(fù)核，并保持原有裝機(jī)臺(tái)數(shù)不變。

2.2.2 機(jī)組選型方案比選

在考慮機(jī)組選型時(shí)，首先對(duì)機(jī)組裝機(jī)形式進(jìn)行了比選，分別為1臺(tái)1000kW+1臺(tái)650kW和2臺(tái)×850kW方案。若采用1000kW+650kW方案，則需將1臺(tái)水輪機(jī)改為ZDJP502－LH－116，配發(fā)電機(jī)SFK1000－14/2150;另1臺(tái)改為 ZDJP502－LH－95，配發(fā)電機(jī)SF－K650－12/1730，通過(guò)分析由于河西水電站現(xiàn)有2臺(tái)水輪機(jī)均為ZD560a－LH－100，配發(fā)電機(jī)SF－K800－10/1730。

原水輪機(jī)尾水肘管進(jìn)口直徑φ1312mm，進(jìn)口面積1.352m2;渦殼進(jìn)口第一斷面底寬585mm，頂寬854mm，高1400mm，第一斷面面積1.007m2。而選定的ZDJP502－LH－116水輪機(jī)，在額定水頭14.2m，額定轉(zhuǎn)速 428.6r/min，機(jī)組額定出力1000kW時(shí)，單位轉(zhuǎn)速 131.9r/min，單位流量1.681m3/s查模型綜合特性曲線，槳葉安放角度在5°～8°之間，利用等差差值取槳葉安放角度6°，水輪機(jī)額定模型效率91.5%，根據(jù)《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》綜合考慮渦殼和尾水肘管混泥土澆筑誤差、澆筑表面光潔度和模型機(jī)與原型機(jī)的各種差異，效率負(fù)修正1.5%，即原型機(jī)額定效率取90%，由此水輪機(jī)額定流量需要8.479m3/s。

根據(jù)原型機(jī)與模型機(jī)流道相似原則，ZDJP502－LH－116水輪機(jī)尾水肘管進(jìn)口直徑φ1392mm，進(jìn)口面積1.522m2;渦殼進(jìn)口第一斷面底寬825mm，頂寬1138mm，高1762mm，第一斷面面積1.753m2，相應(yīng)的尾水肘管進(jìn)口流速5.571m/s，渦殼第一斷面流速4.837m/s。若維持現(xiàn)有尾水管不動(dòng)，考慮到肘管水力損失與流速相關(guān)，為使尾水肘管的水力損失在合理范圍內(nèi)，需維持尾水肘管內(nèi)流速不變，由此原尾水肘管過(guò)流量為7.532m3/s，由于軸流定漿式水輪機(jī)有效運(yùn)行區(qū)域僅75%～105%額定出力，及該水輪機(jī)有效運(yùn)行區(qū)域僅750～1050kW，若尾水肘管僅過(guò)7.532m3/s水量，此時(shí)水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速131.9r/min，單位流量1.49m3/s，查模型綜合特性曲線，水輪機(jī)模型效率僅84%，及整機(jī)效率僅81.5%，機(jī)組出力僅能達(dá)到814kW。若加大尾水肘管過(guò)流量，尾水肘管水力損失會(huì)顯著增大，機(jī)組出力將得不到有效提高。對(duì)于渦殼的運(yùn)行分析同理，由于新水輪機(jī)座環(huán)直徑加大，將占用部分原渦殼過(guò)流空間，渦殼的有效過(guò)流量將進(jìn)一步減小，最終嚴(yán)重影響效率。若堅(jiān)持用該方案，則電站尾水管底板以上機(jī)組段必須全部拆除，這顯然土建工程量巨大，所以最終確定方案為2臺(tái)×850kW，定水輪機(jī)型號(hào)為ZD550－LH－106，配發(fā)電機(jī)SF－K850－12/1730。

3 改造后效益分析

新河口一級(jí)水電站工程改造完成后總裝機(jī)容量4000kW，多年平均發(fā)電量2044.33萬(wàn)kW·h。工程于2011年施工，同年發(fā)電，總投資1600.30萬(wàn)元，其中建設(shè)投資1586.12萬(wàn)元，建設(shè)期利息14.18萬(wàn)元。河西水電站于2014年12月開始進(jìn)行改造，預(yù)計(jì)于2015年5月進(jìn)行發(fā)電，改造完成后總裝機(jī)容量1700kW，多年平均發(fā)電量496萬(wàn)kW·h，工程投資約600萬(wàn)元左右。指標(biāo)結(jié)果分析，工程融資前稅前財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率大于行業(yè)財(cái)務(wù)基準(zhǔn)收益率7%，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值大于零。從項(xiàng)目整體的基本面分析，項(xiàng)目融資后稅后的財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率大于目前銀行貸款利率5.96%，資金投資風(fēng)險(xiǎn)較小。從項(xiàng)目資本金角度分析，資本金稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率大于行業(yè)資本金財(cái)務(wù)基準(zhǔn)收益率10%，說(shuō)明資本金方承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)較小。綜合以上分析，電站改造完成后效益良好。

4 結(jié)論

電站的機(jī)組改造是電站運(yùn)行過(guò)程中常見改造方法，通過(guò)對(duì)機(jī)組的更換，可以有效提高發(fā)電量，增加電站效益，利用現(xiàn)有的尾水管和壓力管道，可以有效的節(jié)約投資，達(dá)到機(jī)組安裝要求。從以上方案的比選和投資效益分析，可以看出小型水電站在改造時(shí)，合理的機(jī)組選型對(duì)于電站的工期、投資、效益至關(guān)重要。

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